仪器分析重点

第一章《仪器分析》引言1）精密度（Precision）使用同一方法或步骤进行多次重复测量所得分析数据之间符合的程度。标准偏差(Absolutestandarddeviation)，s平均标准偏差(Standarddeviationofmean,sm)相对标准偏差(Relativestandarddeviation,RSD)l变异系数(Coefficientofvariance,CV)方差(Variance):s22)误差（Bias）测量值的总体平均值x与“真值接近的程度。即通过多次测量已知浓度或含量的物质（称为标准物质），得到总体平均值与标准物质含量（真实值）比较。在建立新的分析方法时，对标准物质的测量可找出误差的来源！并通过空白分析和仪器校正来消除误差。3）灵敏度（Sensitivity）反映了仪器或方法识别微小浓度或含量变化的能力，也就是说，当浓度或含量有微小变化时，仪器或方法均可以觉察出来。影响灵敏度的因素有二：a）校正曲线的斜率；b)分析的重现性或精密度。IUPAC推荐使用“校正灵敏度”或者“校正曲线斜率”作为衡量灵敏度高低的标准。因此，有人建议以“分析灵敏度(AnalyticalSensitivity)”表示，即优点：当仪器信号放大时，k值增加，灵敏度提高；但此时s也相应增加，从而一定程度地保证了灵敏度恒定；缺点：s与浓度有关，即灵敏度随浓度而变化4）检测限（Detectionlimit,DL）检测限：在已知置信水平，可以检测到的待测物的最小质量或浓度。它和分析信号（Singnal）与空白信号的波动（噪音,Noise）有关，或者说与信噪比（S/N）有关。只有当有用的信号大于噪音信号时，仪器才有可能识别有用信号。检出限如何计算呢？①测定空白样品(或浓度接近空白值）20-30次，求其平均值Sb及其标准偏差sb，则可分辨的最小信号SDL=Sb+k1sb②通过校正曲线的斜率k，将最小待测物信号SDL转化为浓度值CDL，即1)(12NxxsNiiNssm/xsRSD/%100/xsCVxbiassk/分析灵敏度kSScSkcSb_DLDLbDLDL经统计学的t和z检验，当k1=3时，大多数情况下，检测结果的置信度为95%。因此上式可转换为：5）信噪比（singnal-to-noiseratio,S/N）任何测量值均由两部分组成：信号及噪音。其中信号反映了待测物的信息，是我们所关心的，而噪音是不可避免的，它降低分析的准确度和精密度、提高检出限，是我们不希望的。多数情况下，N是恒定的，与S大小无关。当测量信号较小时，测量的相对误差将增加。因此用信噪比S/N是恒量仪器性能和分析方法好坏最为有效的指标！当S/N2~3时，分析信号将很测定。噪声的来源（1）化学噪声：分析体系中难以控制的一些化学因素。比如,①化学反应中温度和压力等参数的变化和波动；②相对湿度导致样品含水量的不同；③粉状固体粒度不均；④光敏材料产生的光密度不均；⑤实验室烟尘与样品或试剂作用的随机性；等等。（2）仪器噪声仪器的光(电)源、输入(出)转换器、信号处理单元等都是仪器噪声的来源。所用仪器的每个部分都可产生不同类别的噪声。通常将仪器噪声分为4类：①热噪声（Thermal,orJohnson,noise）：属于白噪音(whitenoise)，由元器件中电子或电荷受热激发所产生的噪音信号。由于荷电粒子受激的随机性和周期性，因而会导致电荷的不均一，进而使读出的信号发生波动。只有在绝对零度时，该噪音才会消失。当电阻R，TN(如UV-Visible二极管阵列检测器在77K时，其噪音下降一半左右；此外，减少带宽，可降低噪音，但同时也会延长响应时间，并降低测定的可靠性。②散粒噪声（Shotnoise）它是由电子或其它荷电粒子通过界面（如PN结，光电池或真空管的阴阳极之间）时所产生的噪音，亦属白噪音。③闪变噪声（Flickernoise）闪变噪声存在十分普遍，其大小与频率成反比，尤其在低频时（100Hz），其对测定的影响更大。有时也称之为1/f噪声。产生该噪声的机制还不很清楚。采用绕线电阻或金属膜式电阻代替含碳型电阻可显著降低该类噪声。④环境噪声（Environmentalnoise）环境噪声来自于周围环境的各个方面。由于仪器的每个部分都可以看作是一个天线，一种可接收各种辐射的接收器。而环境中存在在大量的电磁辐射：交流电线、收音机、TV台、马达电刷、引擎点火系统等。消除噪声可采用硬件方法（接地和屏幕、差分放大器、模拟滤波、频率调制方法、断续放大或切光器、闭锁装置放大等）、软件方法（总体平均、方脉冲平均、数字滤波等）以及其它方法（噪声数据平滑、谱库比较、谱峰识别技术）。6）动态范围（Dynamicrange）通常的分析方法，其线性动态范围LOL/LOQ至少要达到2个数量级。7）选择性(selectivity)定义：样品基体中其它组份对测定待测物时的干扰程度。在分析中，没有哪种测定不受到诸多因素的干扰，换句话说，分析的过程就是消除或减少干扰对测定影响的过程，也就是提高分析选择性的过程。kskskCbbDL31RSDsxNS1标准偏差平均值通常用选择性系数来反应仪器或方法的选择性，但该应用并不多，只是在ISE分析中用到选择性系数。4.仪器分析校正方法所谓校正(Calibration)，就是将仪器分析产生的各种信号与待测物浓度联系起来的过程。除重量法和库仑法之外，所有仪器分析方法都要进行“校正”。校正方法有三：标准曲线法；标准加入法；内标法。1）标准曲线法（Calibrationcurve，Workingcurve,Analyticalcurve）具体做法：①准确配制已知待测物浓度的系列:0(空白)，c1，c2，c3，c4……..；②通过仪器分别测量以上各待测物的响应值S0，S1，S2，S3，S4……及待测物的响应值Sx；③以浓度c对响应信号与S作图得到标准曲线，然后通过测得的Sx从下图中求得cx；或者通过最小二乘法获得其线性方程再直接进行计算。标准曲线法的准确性与否与两个因素有关：标准物浓度配制的准确性；标准基体与样品基体的一致性。2）标准加入法（Standardadditionmethod）具体做法：①将一系列已知量待测物分别加入到几等份的样品中，配制成浓度为(cx+0)，(cx+c1),(cx+c2),(cx+c3)……..，得到和样品有相同基体的标准系列(加标，spiking)；②通过仪器分别测量以上系列的响应值S0，S1，S2，S3，S4……；③以浓度c对响应信号与S作图，再将直线外推与浓度轴相交于一点(下图)，求得样品中待测物浓度cx。优点：基体(matrix)相近，或者说基体干扰相同；缺点：麻烦，适于小数量的样品分析。a.当样品量很少时，可在一份样品中加标，加一次作一次测量，可得到上述方法相同的结果；b.当觉得上述过程麻烦时，可只加标一次，分别测量样品和加标样品的仪器响应，再直接通过公式进行计算。3）内标法（Internalstandardmethod）该法可以说是上述两种校正曲线的改进。可用于克服或减少仪器或方法的不足等引起的随机误差或系统误差。具体作法：①寻找一种物质或内标物，该内标物必须是样品中大量存在的或完全不存在的。然后，在所有样品、标准及空白中加入相同量的上述内标物；②分别测量样品及标准中待测物及内标物的响应值，然后以Sx/Si比值对浓度c作图；③按前述校正方法获得cx。说明：当待测物与内标物的响应值的波动一致时，其比值可抵消因仪器信号的波动和操作上的不一致所引起的测定误差；例如：Li可作为血清中K，Na测定的内标物（Li与K，Na性质相似，但在血清中不存在）。但寻找合适的内标物（与待测物性质相似而且仪器可以识别各自的信号），或重复引入内标物往往有一定的困难，因此，寻找合适内标物是十分费时的。5.选择分析方法的几种考虑仪器分析方法众多，对一个所要进行分析的对象，到底选择何种分析方法呢？可从以下几个方面考虑：①您所分析的物质是元素？化合物？有机物？化合物结构剖析？②您对分析结果的准确度要求如何？③您的样品量是多少？④您样品中待测物浓度大小范围是多少？⑥可能对待测物产生干扰的组份是什么？⑦样品基体的物理或化学性质如何？⑧您有多少样品，要测定多少目标物？第二章光学分析方法导论原子光谱是由原子外层或内层电子能级的变化产生的，它的表现形式为线光谱，如原子发射光谱、原子吸收光谱法。原子荧光光谱法和X射线荧光光谱法。分子光谱室由分子的电子能级、振动和转动能级的变化产生的，表现形式为带光谱，如紫外-可见分光光度法、红外光谱法、分子发光分析法等。光学分析方法：利用光电转换或其它电子器件测定“辐射与物质相互作用”之后的辐射强度等光学特性，进行物质的定性和定量分析的方法。1.光的波动性电磁辐射为正弦波（波长、频率、速度、振幅）。与其它波，如声波不同，电磁波不需传播介质，可在真空中传输。1）波的叠加（Superposition）频率相同的正弦波叠加得相同频率的合成正弦波；频率不同的正弦波叠加得不同频率的非正弦波；更多的正弦波叠加可形成方波2）光波的衍射（Diffraction）衍射：当一束平行光通过窄的开口如狭缝时发生弯曲的现象。丁达尔散射(Tyndall)：大分子（如胶体粒子和聚合物分子）尺寸与光的波长相近时所产生的散射现象，此时散射光极强（与λ2成反比），可以肉眼观察到。瑞利散射(Rayleigh)：（弹性碰撞，方向改变，但λ不变）当分子或分子集合体的尺寸远小于光的波长时所发生的散射现象。散射光强与光的波长的λ4、散射粒子的大小和极化率成反比。？天空为什么呈蓝色？拉曼散射(Raman)：（非弹性碰撞，方向及波长均改变）光照导致的分子内振动能级跃迁而产生的分子极化过程。分子极化率越大，Raman散射越强。2.光的粒子性当物质发射电磁辐射或者电磁辐射被物质吸收时，就会发生能量跃迁。此时，电磁辐射不仅具有波的特征，而且具有粒子性，最著名的例子是光电效应现象的发现。1）光电效应（Photoelectriceffect）2）能态（Energystate）量子理论(MaxPlanck，1900)：物质粒子总是处于特定的不连续的能量状态，即能量是量子化的；处于不同能量状态粒子之间发生能量跃迁时的能量差ΔE可用hν表示。两个重要推论：物质粒子存在不连续的能态，各能态具有特定的能量。当粒子的状态发生变化时，该粒子将吸收或发射完全等于两个能级之间的能量差；反之亦是成立的，即E=E1-E0=h3）电磁波的发射—光谱图光谱组成线光谱(Linespectra):由处于气相的单个原子发生电子能级跃迁所产生的锐线，线宽大约为10-4A。带状光谱(Bandspectra):由气态自由基或小分子振动-转动能级跃迁所产生的光谱，由于各能级间的能量差较小，因而产生的谱线不易分辨开而形成所谓的带状光谱，其带宽达几个至几十个nm)；连续光谱(Continuumspectra)：固体被加热到炽热状态时，无数原子和分子的运动或振动所产生的热辐射，也称黑体辐射。通常产生背景干扰。温度越高，辐射越强，而且短波长的辐射强度增加得最快！另一方面，炽热的固体所产生的连续辐射是红外、可见及较长波长的重要辐射源（光源）。4）电磁波的吸收现象：当电磁辐射通过固体、液体或气体时，具一定频率(能量)的辐射将能量转移给处于基态的原子、分子或离子，并跃迁至高能态，从而使这些辐射被选择性地吸收。原子吸收：原子吸收光谱分析(AAS);分子吸收：紫外可见光度分析(UV-Vis)；分子吸收：红外光谱分析(IR)及拉曼光谱(Raman)；核吸收：核磁共振光谱(NMR)。电弧,火花,火焰,ICPAES原子,离子,分子原子,离子,分子UV,VIS,IR原子*,离子*,分子*激发发射能量激发态基态基态原子,离子,分子轰击X-ray原子*,离子*,分子*原子,离子,分子X激发AFS,MFS,XFS原子*,离子*,分子*激发原子,离子,分子光（一次光）电磁辐射或者化学反应发射能量能量激发态基态基态基